مقاله شماره 139: لیتوگرافی به وسیله اشعه ماوراء بنفش

[m4material]

بسم الله الرحمن الرحيم

لیتوگرافی به وسیله اشعه ماوراء بنفش
​

لیتوگرافی به وسیله اشعه ماوراء بنفش حد بالایی (‏EUVL/Extreme Ultraviolet Lithography ‎) یکی از روش های تصویرگیری پرتوافکنی است ‏‏(شکل 1و2) که از اشعه ای با طول موج بین13.4 تا ‏nm ‎‏13.5 استفاده می کند. اصول اولیه کارکرد ‏EUVL‏ ‏شبیه به روش لیتوگرافی نوری است، با یک سیستم و ماسک که موج را تابانده و متمرکز می کند.‏

شکل 1- شماتیکی از اجزای اصلی دستگاه ‏EUVL
​

لیتوگرافی پرتوافکنی نوری بیش از 20 سال از اصلی ترین راه های تولید قطعات نیمه هادی بوده است. ‏از مدت ها قبل پیش بینی شده بود که لیتوگرافی پرتوافکنی نوری، ظرفیت تولید قطعات با هزینه ‏اقتصادی مناسب و اندازه ویژگی (‏Feature size‏) کم همراه با تولید کنترل شده مدارهای مجتمع را ‏دارد.‏ پیچیدگی لیتوگرافی ‏نوری، به طور خاص مربوط به ساخت ماسک می شود. نقشه بین المللی فناوری برای نیمه هادی ها ‏‏(‏ITRS/International Technology Roadmap for Semiconductors ‎‏) پیش بینی می کند که احتمالا یک نمونه لیتوگرافی برای ساخت الگویی با نیم گام nm‏45 نیاز ‏است. شکل 3 نمایشی از نیم گام پیش بینی شده با زمان برای چهار مدل از ‏ITRS‏. هرکدام از این مدل ‏های ‏ITRS‏ یک شتاب کاهشی در نیم گام را پیش بینی کرده اند. نامزد پیشرو و موفق در لیتوگرافی ‏پرتوافکنی نوری، لیتوگرافی ماوراءبنفش حد بالایی (‏EUVL‏) و لیتوگرافی پرتوافکنی الکترونی (‏EPL/Electron Projection Lithography ‏) ‏هستند.‏

شکل 2- شمایی از دستگاه ‏EUVL

شکل 3- نمایش نیم گام لیتوگرافی استفاده شده در حجم زیادی از تولیدات همانطور که توسط مدل های متفاوت نقشه ‏فناوری بین المللی برای نیمه هادی ها پیش بینی شده است.‏


​

تقریبا تمام فناوری ها از یکی از سه ذره انرژی دار، شامل پروتون، الکترون و یون جهت پرتوافکنی به ماده ‏مقاوم به پرتو ‏ استفاده می کنند. تنها استثناء ‏nanoimprint‏ است، که از یک الگوی مادر برای برجسته ‏کردن ماده مقاوم با استفاده از دما و فشار بدون هیچ گونه پرتوافکنی استفاده می کند. بعضی از فناوری ها ‏از یک ماسک برای در معرض قرار گرفتن قسمتی از یک الگو و یا تمام الگو در یک گام پرتوافکنی استفاده ‏می کنند.‏

همان طور که اشاره شد در لیتوگرافی پرتوافکنی از ماسک و از ماده مقاوم به پرتو استفاده می شود،که ماده ‏مقاوم به پرتو ماده ای پلیمری است و در مقابل پرتو تابیده شده به دو صورت از خود رفتار نشان می دهد. ‏یا ماده پلیمری در اثر پرتو نگاری شبکه آن تقویت می شود که در این حالت ماده مقاوم را ‏منفی(‏Negative‏) می نامیم. و اگر ماده پلیمری پس از تابش پرتو شبکه آن استحکام خود را از دست ‏بدهد در این حالت ماده مقاوم به پرتو را مثبت (‏Positive‏) می نامیم(شکل4).‏

شکل 4- شماتیکی از ماده مقاوم پلیمری مثبت (شکل بالایی) و منفی (شکل پایینی).‏​

در حالتی که ماده مقاوم منفی است پس از انجام لیتوگرافی الگوی ایجاد شده روی زیرلایه برعکس الگوی ‏ماسک خواهد بود.و در حالتی که ماده مقاوم مثبت باشد پس از انجام لیتوگرافی الگوی ایجاد شده روی ‏زیرلایه مشابه الگوی ماسک خواهد بود (شکل های 5 و 6).‏

شکل 5- شماتیکی از فرایند ‏EUVL‏ با ماده مقاوم مثبت

شکل 6- شماتیکی از فرایند ‏EUVL‏ با ماده مقاوم منفی
​

همان طور که از شکل های 5 و6 مشخص است پس از تاباندن اشعه ‏UV‏ به ماده مقاوم، البته با گذر از ‏ماسک، ماده مقاوم بسته به اینکه مثبت است یا منفی، استحکام آن به ترتیب کم و یا زیاد می شود. لذا ‏رفتار آنها در برابر محلول شیمیایی متفاوت خواهد بود، بدان معنا که برای ماده مقاوم مثبت، آن قسمتی ‏که پرتو به آن تابیده شده است نسبت به آن قسمتی از آن که پرتو به آن تابیده نشده است از استحکام ‏کمتری برخوردار بوده و لذا در اثر محلول شیمیایی خورده خواهد شد و در نتیجه الگوی ماسک روی ‏زیرلایه به وجود خواهد آمد. در مورد ماده مقاوم منفی، همان طور که قبلا اشاره شد نحوه ی ایجاد الگو ‏برعکس ماسک خواهد بود و اصول کار مشابه ماده مقاوم مثبت است.‏

تابش در طول موج های ‏EUV، به وسیله همه مواد به میزان زیادی جذب می شود، بنابراین، سطوحی از ‏ماسک که باید نور را بازتاب کنند، با چندین لایه پوشانده می شوند. استفاده از امواج بازتاب شده میزان ‏روزنه عددی را کاهش می دهد. ‏روزنه عددی یک سیستم نوری، عدد بدون بعدی است که محدوده زاویه ای را که سیستم می تواند نور ‏دریافت کند یا خیر، مشخص می کند. روزنه عددی ابزار دریافت کننده ‏‎ EUVL،تقریبا در یک سیستم که چهار ‏برابر کاهش یافته است، 0.1 تا 0.25 است. از آنجاییکه تابش ‏EUV‏ به میزان زیادی توسط مواد جذب می ‏شود، سطحی از ماسک که بازتاب کننده نور است، با چندین لایه پوشش داده می شود. این لایه ها یک ‏بازتاب تشدید شده براگ (Bragg) ‏ شکل می دهند که طول موجی نزدیک به طول موج اصلی تابانده شده دارد. ‏ماسک ‏EUVLشامل یک زیرلایه است که در اثر گرما به میزان کم و با فاکتور شش اینچ مربع منبسط می ‏شود، که با چندین لایه از ‏Mo/Si‏ پوشانده می شود. ماسک پوشانده شده با چندین لایه، با یک لایه ‏جذب کننده که الگوی ‏IC‏ مورد نظر را می تواند روی زیرلایه با بزرگنمایی چهار برابر منتقل کند، پوشش ‏داده می شود. پوشش های چند لایه برای ‏EUVL‏ توزیعی از بازتاب های براگ دارند که به خاطر وجود ‏لایه های دوره ای است و به این خاطر این پوشش ها داده می شود که بازتاب را در یک طول موج خاص ‏زیاد کند. بازتاب با زاویه برخورد و طول موج تغییر می کند. در طول موج های ‏EUVL‏ (‏nm‏5-20)، تقریبا ‏می توان گفت همه مواد ضریب شکست نزدیک به یک دارند. هنک ‏ و همکارانش ضریب شکست را به ‏صورت ترکیبی به شکل زیر ارئه کردند:‏

n ̅=1-δ+iβ​

دو یا بیشتر از دو ماده به طور نوعی انتخاب می شود تا تشکیل چند لایه دهند، و یک ماده انتخاب می شود ‏به طوریکه مقدار ‏δ‏ در طول موج عمل کننده زیاد باشد و بازتاب را حداکثر نماید. این ماده باید همچنین ‏اتلاف بازدهی کمی داشته باشد، کم شدن β باعث حداقل شدن جذب می شود. از آنجا که بازتاببرخورد نرمال ‏برای همه مواد در طول موج هایEUV‏ کم است، تعداد زیادی از لایه ها آرایش پیدا می کنند و هرکدام به ‏گونه ای قرار می گیرد که فاز بازتاب آن با فاز مربوط به لایه های دیگر جمع شود. بنابراین، دوره ای بودن لایه ‏ها به این خاطر است که تداخل امواج ناشی از بازتاب هر یک از لایه ها که ‏‎ δ‏ بزرگی دارند، را سازنده ‏کند.ماده دیگر طوری که δو βکمی داشته باشد، انتخاب می شود تا ضریب کنتراست بین لایه ها را حداکثر و ‏جذب را حداقل کند. در گروه موجی با طول موج حدود ‏nm‏13.5، ‏Mo‏ و ‏Ru هردو δ بزرگ و β ‏ نسبتا کوچکی ‏دارد و سیسلیکون ‏ δ و β کمی دارد. مواد دیگری ممکن است جهت بهینه کردن بیشتر بازتاب اضافه شوند. بیشترین ‏بازتاب در طول موج براگ اتفاق می افتد. اسپیلر ‏ ، باربی ‏ و آتوود ‏ معادله براگ را برای اصلاحشکست ارائه ‏کرده اند. معادله براگ برای یک چندلایه که از دو ماده و یا بیشتر ساخته شده به صورت زیر است:‏

​

به طوریکه

‏

​

و ‏m‏ درجه شکست موج است،d‏ دوره لایه ها، وd[SUB]1[/SUB]‎‏ و ‏d[SUB]2[/SUB]‎‏ ضخامت دو لایه در هر دوره هستند.

‏
جدای از شباهت به لیتوگرافی نوری، انجام ‏EUVL‏ برای حجم زیاد تولید ‏IC‏ با مشکلات زیادی روبرو ‏است:‏

‏-‏ ماسک و اجزای نوری با چندین لایه پوشانده می شوند تا شرایط بازتاب بالا با طول موج ‏nm‏13.5 فراهم شود.‏

‏-‏ مسیر نوری و زیرلایه تحت اشعه قرار گرفته، باید در یک خلا ‏mTorr‏1 به همراه گاز خنثی ‏مثل ‏Ar‏ یا ‏He‏ قرار داشته باشند.‏

‏-‏ یک منبع تابش به همراه خروجی با توان بالا باید استفاده شود. معمولا لیزر یا تخلیه الکتریکی ‏برای ایجاد یک پلاسمای گاز ‏Xe‏ که با طول موج های بین 10.5 تا ‏nm‏14 منتشر می شود، ‏استفاده می شود. اندازه و درخشندگی منبع نوری باید با طراحی سیستم متمرکز کننده ‏بازتابی هماهنگ باشد.‏

‏-‏ پلاسما در منبع باید طوری باشد که نه در جابجایی ‏Xe‏ و دستگاه های تخلیه بار مشکلی ‏ایجاد کند و نه در جمع شدن امواج نوری نزدیک هم.‏

‏-‏ پوشش چند لایه ای دوره ای روی لوازم نوری و ماسک باید دقت بالا و میزان یکنواختی ‏متوسطی در حدود 0.1% داشته باشد. دوره باید دقیق باشد تا امواج عبوری را که در هم ‏منعکس شده اند، با هم هماهنگ کند. فصل مشترک بین لایه ها باید کاملا از هم جدا و تیز ‏باشد تا انعکاس را حداکثر نماید. زیرلایه نوری نیز باید کاملا صاف باشد.‏

‏-‏ پوشش های چندلایه باید در محیط خلا و در مدت زمان زیادی که در معرض اشعه قرار ‏دارند، اکسید نشده و با لایه های نازک اکسیدی نیز پوشیده نشوند.‏

‏-‏ پوشش های چندلایه روی ماسک باید با نقایص کمی همراه باشند.‏

‏-‏ از آنجا که پوشش چندلایه ای حدود 40% پرتوهای برخوردی را جذب می کند، قسمت های ‏نوری و ماسک باید بر روی زیرلایه ای با انبساط گرمایی کم ساخته شود. این زیرلایه ها ‏همچنین باید در حین پرتو نگاری سرد شوند.‏

‏-‏ ماده مقاوم ‏ باید ضخامتی کمتر از ‏nm‏150داشته باشد تا اشعه ‏EUV‏ به درستی در اعماق ‏آن تاثیرگذار باشد.‏

اگر از این مشکلات چشم پوشی کنیم، ‏EUVL‏ پتانسیل زیادی برای توسعه وضوح لیتوگرافی تا ‏نیم گام ‏nm‏22 و حتی کمتر از این مقدار، دارد. اگرچه هنوز مشکلات زیادی در فناوری باقی ‏مانده است، ولی واضح است که ‏EUV‏ به عنوان روش اصلی ایجاد الگوهای ادواتی با نیم گام ‏nm‏45 و کمتر شناخته می شود(شکل7).‏

شکل 7- نمونه ای از تولید به روش ‏EUVL

​

منبع: http://edu.nano.ir/index.php/articles/show/104